果实采后软化的影响因素及抑制技术研究进展

郑秋萍, 林育钊, 李美玲, 王 慧, 林河通,3

(1.福建农林大学食品科学学院，福建 福州 350002；2.亚热带特色农产品采后生物学福建省高校重点 实验室，福建 福州 350002；3.福建农林大学农产品产后技术研究所，福建 福州 350002)

水果品种繁多、风味各异，在均衡饮食营养、调节市场余缺中发挥着至关重要的作用[1]。但采后果实极易软化，影响其食用品质和商品价值，不利于长期贮藏和远距离运销，造成严重的经济损失[2]。因此，探讨果实采后软化的发生机制及抑制果实软化的保鲜技术具有重要意义。果实采后软化涉及一系列复杂而有序的生理代谢过程，主要由细胞壁降解酶促进细胞壁物质的降解，破坏细胞壁完整性所导致[3-4]。果实采后软化机制的研究不仅涉及细胞壁代谢，还包括淀粉代谢、能量代谢、激素调控以及病原菌侵染等。本文结合近几年国内外对果实采后软化机制及软化抑制技术的相关研究进行综述，为抑制果实采后软化、延长果实货架期提供依据。

1 果实采后软化的影响因素

1.1 细胞壁代谢

果实成熟软化的外在表现是硬度下降、质地变软，细胞壁降解是导致果实软化的主要因素之一。存放过程中，果实细胞壁物质降解、骨架松散，细胞间粘合力下降，导致软化发生[5]。

1.1.1 细胞壁结构组成 细胞壁是高等植物细胞外围的一层厚壁，由果胶、纤维素、半纤维素和少量结构蛋白构成，可分为胞间层、初生壁及次生壁3个部分[6]。胞间层由果胶多聚物组成，起到黏连细胞和缓冲挤压的作用；初生壁紧挨胞间层，主要由纤维素、半纤维素和少量果胶组成，起到保持形状和伸缩的作用；次生壁在初生壁内侧，由原生质分泌的纤维素及少量半纤维素和木质素组成，起到增加细胞壁厚度的作用[7]。在果实软化过程中，起支撑作用的原果胶水解成水溶性果胶，并且纤维素、半纤维素骨架结构趋于松散，细胞由圆形转变成椭圆形或长圆形，细胞间的粘合力下降，壁间产生空隙，细胞壁变薄乃至瓦解，细胞汁液外流，导致果肉软化、自溶[7]。朱丹实等[8]研究发现，葡萄果实软化初期原果胶发生降解，可溶性果胶和果胶酸含量增加，而果实软化后期纤维素发生降解。‘蓝丰’蓝莓[9]、黄花梨[10]、葡萄柚[11]和南果梨[12]等果实在常温贮藏期间共价结合型果胶呈下降趋势，而水溶性果胶和离子结合型果胶呈上升趋势，果实硬度下降。林育钊等[13]研究表明，与‘福眼’龙眼相比，‘东壁’龙眼果肉采后贮藏期原果胶、纤维素和半纤维素含量较高，较好地维持果肉细胞壁结构的完整性，其果实更耐贮藏。总之，果实采后软化与细胞壁物质的降解密切相关。

1.1.2 细胞壁降解酶 果实细胞壁物质的降解与细胞壁降解酶活性以及细胞壁降解酶相关基因的表达和调控密切相关[14]。果实细胞壁主要由高度甲酯化的多聚半乳糖醛酸构成，果胶酯酶(pectinesterase, PE)与半乳糖醛酸残基的C-6位甲酯化羧基反应，生成多聚半乳糖醛酸和甲醇[15]；多聚半乳糖醛酸酶(polygalacturonase, PG)则水解多聚半乳糖醛酸中α-1,4-2-D-半乳糖苷键，导致果胶降解[15]；果胶裂解酶(pectate lyase, PL)使聚半乳糖醛酸α-1,4键断裂，降解高度甲酯化果胶[16]；纤维素酶(cellulase, Cx)是由内葡聚糖酶、外葡聚糖酶和葡萄糖苷酶组成的多酶系统，可以使含β-1,4糖苷键的半纤维素分解[17]；β-半乳糖苷酶(β-galactosidase, β-Gal)作用于水果软化早期，水解β-1,4-半乳糖键，去除果胶侧链上的半乳糖残基，使中性糖与果胶、纤维素和半纤维素分离[18]；木葡聚糖内糖基转移酶(xyloglucan endotransglycosylase, XET)能够引起细胞壁膨胀变松，具有内切和连接双重功效，内切作用是将葡聚糖主链内部键断开，连接作用是把切口还原末端与另一个多聚体非还原末端进行连接[19]；鼠李糖半乳糖醛酸酶(rhamnogalacturonase, RGase)作用于果胶分子中半乳糖醛酸和鼠李糖残基并在其间形成糖苷键[16]；α-阿拉伯呋喃糖苷酶(α-arabinofuranosidase, α-ARF)能够降解末端为非还原性且含有大量阿拉伯呋喃糖等支链多聚体[20]。细胞壁降解酶参与果实采后软化过程，葡萄[21]、杏[22]、草莓[23]、芒果[24]等果实硬度随着细胞壁降解酶活性升高而下降。刘景安等[25]发现，西瓜野生品种果实的硬度大于栽培种，可能与野生品种能保持较高的PG和Cx活性有关，但与β-Gal活性关系不大。Lin et al[26]研究表明，随着XET、PE、PG、β-Gal、Cx等细胞壁降解酶活性的上升，龙眼果肉共价结合型果胶、离子结合型果胶含量下降，而水溶性果胶含量则上升，导致果肉纤维素和半纤维素含量降低，进而破坏果肉细胞壁结构的完整性，使果肉发生自溶现象。Wei et al[27]发现，‘京白梨’果实的PG、β-Gal、α-ARF活性显著高于‘鸭梨’，并且PG1、PG2、GAL4、ARF1、ARF2等基因的mRNA表达量显著上升。冯新等[28]研究发现，低温处理可下调果实Adβgal基因的表达量，从而降低β-Gal活性，进而延缓猕猴桃果实采后软化。因此，随着贮藏时间延长，采后果实细胞壁降解酶基因表达量上升，降解活性提高，导致细胞壁物质降解加剧、胞间黏性下降，细胞壁变薄、结构松弛，进而呈现果实采后软化的生理效应。

1.1.3 扩展蛋白(expansin, EXP) EXP是一类不具有水解酶和糖基转移酶等酶结构特征和功能的植物细胞壁蛋白，通过干扰半纤维素和纤维素微纤丝之间的非共价键相互作用，改变细胞壁结构网张力，使细胞壁松弛，进而影响果实的成熟与软化[29]。孙振营等[30]发现，柿子果实的DkEXP3和DkEXP4相对表达量高峰均早于乙烯释放高峰，且在果皮、果肉、果心中的表达水平不同，可能是DkEXP3和DkEXP4在柿子果实采后软化前期起作用，同时存在组织特异性。杨绍兰等[31]对茌梨和黄金梨研究发现，PcEXPA2基因的表达水平与果实硬度以及乙烯释放速率的变化趋势相似，其可能参与果实采后的成熟软化进程。赵湾湾等[32]研究表明，CpEXPA2基因在番木瓜果实中的表达量较高，其表达模式与果实成熟软化进程一致，且受到乙烯的调控，推测该基因可能与番木瓜果实软化有关。研究发现，EXP在草莓[33]、芒果[34]、番茄[35]、猕猴桃[36]等果实成熟软化过程中也发挥着重要作用。

1.2 淀粉代谢

淀粉是一种不溶性葡聚糖，由2种葡聚糖组成葡萄糖、支链淀粉和直链淀粉的聚合物[37]。淀粉作为高等植物的主要碳水化合物，其丰富度仅次于纤维素[38]。果实软化与淀粉代谢密切相关，磷酸化酶、β-淀粉酶、α-淀粉酶、去分支酶和转运蛋白等一系列的酶参与淀粉降解，使淀粉水解生成葡萄糖[39]。淀粉与可溶性糖之间形成动态平衡，维持一定的膨压，从而使细胞具有一定形态[40-42]。苗红霞等[43]发现，采后香蕉果肉硬度下降，可能由于其总淀粉酶活性升高，促进总淀粉含量下降所致。果实贮藏期间，番荔枝淀粉、原果胶迅速降解，果胶甲酯酶、纤维素酶和多聚半乳糖醛酸酶等果胶降解酶活性上升，破坏细胞壁结构的完整性，导致果实软化[44]。魏建梅等[40]发现，苹果果实软化过程中淀粉含量不断下降，同时伴随淀粉酶、蔗糖磷酸合成酶(sucrose phosphate synthase, SPS)、蔗糖合成酶(sucrose synthase, SS)活性和MdAM、MdSPS基因表达的迅速上升。1-甲基环丙烯(1-methylcyclopropene, 1-MCP)处理猕猴桃果实可抑制α-淀粉酶基因(AcAMY)、β-淀粉酶基因(AcBAM)和支链淀粉酶基因(AcLDA)的表达，抑制葡聚糖聚合物水解，且磷酸化葡聚糖水合双激酶基因(AcPWD)转录表达水平较高，可维持果实较高的淀粉含量和硬度，延缓淀粉的降解，进而减缓果实软化[45]。因此，淀粉降解可能是导致采后果实后熟软化的重要因素。

1.3 能量代谢

能量状态对采后园艺作物的成熟和衰老起着重要的作用[46]。三磷酸腺苷(triphosadenine, ATP)作为生物体通用的能源物质，主要用于高分子生物合成、营养转运、基因信息传递、生物和非生物胁迫防御、离子载体和通道调控等过程[46-48]。组织能量亏缺是引起果实采后软化的一大因素。蒋跃明[49]研究发现，果实采后衰老过程中发生能量亏缺，造成活性氧积累、多糖裂解增加，导致细胞壁松弛，使得果实发生软化。过氧化氢通过破坏龙眼果实的离子稳态和线粒体完整性，进而影响能量水平和细胞膜完整性，加剧果肉自溶，加快果实衰老[50-51]。而外源ATP处理则能够使果实保持较高的能量水平，有利于降低果实采后病害的发生及软化程度，从而延缓荔枝[52]、龙眼[53]等果实的衰老。Ge et al[54]研究表明，采用0.5 mg·mL-1磷酸三钠处理苹果果实，可以通过调节呼吸和线粒体能量代谢来延缓果实ATP和能荷的下降，增强能量合成相关酶、琥珀酸脱氢酶和细胞色素C氧化酶的活性，抑制果实硬度和营养物质含量下降，从而保持果实品质。可见，能量水平可影响果实的软硬程度。

1.4 植物激素调控

植物激素是植物细胞受特定信息诱导产生的、具有调控生长发育功能的有机物质，对果实的软化有促进或抑制的作用。

1.4.1 乙烯 乙烯是调控果实成熟、衰老的气体激素，通过与质膜上的受体结合启动下游信号传导，引起一系列的生理生化反应，如提高果实呼吸强度、促进果实内容物质分解或转化、加剧果实软化等[55-57]。氨基环丙烷羧酸(1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid, ACC)是乙烯合成的前体物质，ACC合成酶(1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid synthase, ACS)是其限速酶，ACC氧化酶(1-aminocyclopropane-l-carboxylic acid oxidase, ACO)是其关键酶[58]。阚娟等[58]研究发现，随着贮藏期的延长，李果实ACC含量、ACS 和ACO活性及乙烯释放量提高，果实硬度下降；而低温处理可有效抑制乙烯相关酶活性，降低乙烯释放量，保持果实硬度。李艳娇等[59]研究表明，用外源乙烯处理番茄果实可加快其硬度下降，促进乙烯释放量增加以及绿熟期番茄果实细胞壁软化相关酶活性的上升，加速果实软化进程。新型乙烯吸收剂可通过抑制水蜜桃果实乙烯释放，减少活性氧物质积累和营养物质消耗，从而减缓果实后熟软化[60]。杨勇等[61]对5种不同品种桃果实的软化研究发现，硬度较高的‘霞脆’和‘有名白桃’果实中的PpACS1基因具有较低的表达丰度。因此，果实采后软化受乙烯含量、乙烯合成相关酶活性和基因表达等因素的影响。

1.4.2 脱落酸 脱落酸是调控果实成熟、衰老的重要植物激素，同时参与跃变型和非跃变型果实的软化过程。外源脱落酸处理可提高桃(典型跃变型果实)的PG和PE活性，降低细胞壁结构完整性，提高ACS和ACO活性，促进乙烯生成，从而加速果实软化[62]；外源脱落酸处理还可提高梨枣(非跃变型果实)的内源性脱落酸含量，加快其软化衰老进程[63]。贾海锋等[64]研究发现，脱落酸处理既能促进与草莓果实成熟相关的基因，如查尔酮合酶基因等的表达；还能促进与果实软化有关的基因，如伸展蛋白基因等的表达，进而加快果实成熟软化进程。总之，脱落酸可诱导合成乙烯，提高细胞壁降解酶活性，在果实软化过程中起重要作用。

1.4.3 生长素 生长素具有调控扩展素及细胞壁松弛蛋白表达、促进果实发育、延缓果实成熟的作用[65]。外施生长素可以延缓果实成熟[66]。外源生长素处理能够延迟草莓果实着色，抑制果实软化有关基因(FaEXP1、FaPG、FaPL、FaEG)的表达，降低果实软化程度[64]。萘乙酸处理可推迟柿子果实呼吸和乙烯释放高峰期，降低细胞壁降解酶活性，减少细胞壁物质的降解，从而保持果实硬度[67]。综合来看，生长素可间接参与果实采后软化的调控，抑制果实软化。

1.4.4 赤霉素 赤霉素是一种内源植物激素，参与种子的发芽、茎的伸长、开花和果实的成熟过程[68]。60 mg·L-1赤霉素可抑制ACO活性，降低ACC含量，推迟乙烯释放高峰期，减少果实内细胞乙烯合成，延缓柿果实的后熟软化[67]。任邦来等[69]发现，200 mg·kg-1赤霉素溶液处理可降低油桃果实失重率，推迟呼吸跃变的高峰期，减少营养物质损失，保持果实硬度，从而延长货架期。赤霉素还可作为无公害生物源农药，李生娥等[70]研究表明，‘苹果梨’生长期喷洒赤霉素结合采后热处理，可降低酚类物质生成及丙二醛含量和多酚氧化酶活性，提高抗氧化酶活性，调控果实表面蜡质结构，维持细胞膜及细胞壁结构完整性，延长采后果实货架期。因此，赤霉素可抑制果实采后软化进程。

1.4.5 其他植物激素 水杨酸是植物生长调节剂和重要的信号分子，参与活性氧代谢、呼吸代谢、抗病代谢等过程[71-72]。田志喜等[73]研究表明，水杨酸处理可有效抑制鸭梨果实乙烯合成和PG、PME活性，降低呼吸速率，提高抗氧化蛋白和抗病相关蛋白的表达水平，降低氧化损伤及诱导抗病性，从而间接推迟果实采后软化进程。李雯等[74]研究表明，500 μmol·L-1水杨酸可延缓香蕉果实淀粉的降解，保持较高的硬度。任俊洁等[75]发现，200 μmol·L-1水杨酸处理能够提高油桃果实抗逆性，降低淀粉降解速度，抑制乙烯合成，减缓细胞壁的降解。因此，适当浓度的水杨酸处理对保持果实的硬度具有明显效果。

茉莉酸可提高脂氧合酶(lipoxygenase, LOX)活性，造成活性氧积累，提高ACC活性，诱导乙烯合成，加快果实的后熟软化[76]。细胞分裂素(cytokinin,CTK)能延缓蛋白质和叶绿素的降解速度，抑制部分与植物组织衰老相关的水解酶活性，从而延缓果实衰老[68]。

1.5 外源病原菌侵染

果实采后极易受到病原菌侵染，引起软化。果实本身具有抵御病原菌侵染的功能，如合成酚类物质、提高抗病相关酶活性等[77]。其中，木质素是较为复杂的酚类聚合物质，可有效抵御病原菌侵染，使果实发生组织木质化，提高植物细胞对病原菌的抵抗性，干扰细胞壁降解酶对细胞壁物质的水解[5]；几丁质酶(chitinase, CHI)和β-1,3-葡聚糖酶(β-1,3-glucanase, GLU)等抗病相关酶可降解病原菌细胞壁中的几丁质和β-1,3-葡聚糖，进而破坏其细胞壁结构，减少采后病原菌的侵染[78]。随着贮藏时间的延长，果实营养物质逐渐消耗，抗病能力下降，病原菌分泌降解果肉细胞壁相关酶，侵染寄主组织内部，加剧果实采后软化[79-80]。程少波等[81]研究表明，黑头病致病菌侵染可降低香梨果实粗纤维、木质素、原果胶含量，破坏细胞壁完整性，导致果实软化。姜汁可提高草莓果实抗病性，延缓软化进程[82]；卡多赞处理可提高荔枝果实抗病物质含量及抗病相关酶和活性氧清除酶活性，抑制病害发生，保持果实贮藏品质[77]。因此，病原菌侵染可导致采后果实软化，而提高果实的抗病性可有效抑制果实软化的发生。

2 果实采后软化的抑制技术

2.1 物理保鲜技术

物理保鲜技术是通过改变贮藏环境或抑制微生物活动来调控果实生理代谢，从而抑制果实软化的技术。郑玮璇等[83]研究表明，低温处理可提高‘皇冠李’果实的活性氧清除能力、总抗氧化能力，减少营养物质消耗，较好保持果实的硬度，延长果实贮藏期。李艳娇等[59]研究表明，60 μL·L-1NO处理可延缓番茄果实硬度的下降，抑制软化相关酶的活性，降低乙烯释放量，推迟乙烯高峰，延缓果实软化。CO2处理可较好地维持草莓果实的硬度，抑制果实变色和腐烂，提高采后草莓品质[84]。减压处理不仅抑制白杏果实呼吸和乙烯释放量的上升，还抑制果实多聚半乳糖醛酸酶、果胶酯酶和纤维素酶活性，从而延缓原果胶和纤维素的降解以及水溶性果胶含量的增加，保持果实硬度[85]。UV-C处理可延缓番茄果实纤维素和水溶性果胶等物质的降解，进而延迟果实成熟软化[35]。

2.2 化学保鲜技术

化学保鲜技术是将化学药剂用于果蔬表面，以达到调控果实生理代谢的目的，从而起到保鲜效果。Chen et al[18]研究表明，酸性电解水处理可以使蓝莓果实细胞壁降解酶失活，阻碍细胞壁组分的水解，从而延缓果实软化。邓佳等[11]研究表明，外源钙处理可抑制葡萄柚果实细胞壁降解酶基因表达，降低细胞壁降解酶活性，减缓果胶、半纤维素的解聚，使果实保持较高的膳食纤维含量，维持质地品质，延长货架期。胡苗等[86]研究表明，0.10 mmol·L-1褪黑素处理可抑制猕猴桃果实呼吸强度，减少乙烯释放量和淀粉降解，提高抗氧化物酶活性，从而提高抗病性，保持较高的果实硬度。1-MCP处理通过抑制黄花梨果实的细胞壁降解酶活性，保持细胞壁结构的完整性，延迟果实软化[10]。乙酰水杨酸(acetylsalicylic acid, ASA)处理可延缓猕猴桃果实乙烯生成，抑制AdEXPA1基因的表达，从而延缓果实软化[87]。

2.3 生物保鲜技术

生物保鲜技术是采用天然动植物、微生物上提取的保鲜剂或者通过生物工程技术改造而达到果实保鲜效果的技术。刘影等[88]研究发现，姜汁、Vc、中草药等生物保鲜剂能够抑制水蜜桃果实呼吸强度，延缓固形物分解，保持果实硬度，具有较好的保鲜效果。Ali et al[89]研究发现，10%阿拉伯树胶处理可降低西红柿果实失重率，减少营养物质消耗，保持果实硬度，延长货架期。Ippolito et al[90]研究表明，黑酵母菌可提高苹果抗病相关酶活性，降低葡萄糖酶和过氧化物酶活性, 从而降低由灰葡萄孢和扩展青霉侵染而导致的腐烂和软化。王亦佳等[91]发现，罗伦隐球酵母和枯草芽孢杆菌发酵液处理可有效抑制水蜜桃果实膜脂过氧化，延缓果实的软化及腐烂，进而延长货架期。宋俊岐等[92]研究表明，通过基因工程将ACC脱氨酶基因转入番茄，可抑制转基因番茄的乙烯合成，从而抑制番茄后熟软化，使果实的保鲜期达75 d左右。

3 小结与展望

采后软化影响果实食用品质和商业价值，严重制约其长期贮藏和远距离运销。果实采后软化的影响因素包括细胞壁代谢、淀粉代谢、能量代谢、激素和病原菌侵染等。贮藏期间，在各因素的作用下，采后果实中的细胞壁物质，如果胶、纤维素和半纤维素发生降解，导致细胞膜结构的完整性被破坏；且果实贮藏过程中发生淀粉水解，使得细胞内容物成分产生变化，导致果实软化。果实采后软化是各因素共同作用的结果，但不同影响因素间的相互作用及影响机制尚不清楚。目前，果实软化的抑制技术还存在不足，如物理保鲜技术存在设备耗能高、化学保鲜剂存在化学物质残留等问题。随着分子生物科学和技术的发展，可从分子层面剖析果实软化的分子机制，如筛选细胞壁代谢、淀粉代谢、能量代谢、激素及病原菌等影响果实软化的关键基因，并研究其上下游调控机制，从基因表达调控的角度进一步研究并开发安全、经济、有效的果实软化控制新技术，如通过抑制软化基因的表达及关键酶的活性，进而调控果实软化进程。此外，随着材料科学的发展，还可考虑从包装等方面研发抑制果实软化的新技术，如利用纳米材料优良特性研发适合不同果实的纳米包装材料，并结合其他调控技术以达到抑制果实采后软化的效果。